可靠性设计, 收藏这些大咖经验就够了!

Posted 2021-04-19 铁木真科技

1 在确定设备整体方案时，除了考虑技术性、经济性、体积、重量、耗电等外，可靠性是首先要考虑的重要因素。在满足体积、重量及耗电等于数条件下，必须确立以可靠性、技术先进性及经济性为准则的最佳构成整体方案。
2 在方案论证时，一定要进行可靠性论证。
3 在确定产品技术指标的同时，应根据需要和实现可能确定可靠性指标与维修性指标。
4 对己投入使用的相同（或相似）的产品，考察其现场可靠性指标，维修性指标及对这两种备标的影响因素，以确定提高当前研制产可靠性的有效措施。
5 应对可靠性指标和维修性指标进行合理分配，明确分系统（或分机）、部件、以至元器件的的可靠性指标。
6 根据设备的设计文件，建立可靠性框图和数学模型，进行可靠性预计。随着研制工作深入地进行，预计于分配应反复进行多次，以保持其有效性。
7 提出整机的元器件限用要求及选用准则，拟订元器件优选手册（或清单）。
8 在满足技术性要求的情况下，尽量简化方案及电路设计和结构设计 ，减少整机元器件数量及机械结构零件。
9 在确定方案前，应对设备将投入使用的环境进行详细的现场调查 ，并对其进行分析，确定影响设备可靠性最重要的环境及应力，以作为采取防护设计和环境隔离设计的依据。
10 尽量实施系列化设计。在原有的成熟产品上逐步扩展，抅成系列，在一个型号上不能采用过多的新技术。采用新技术要考虑继承性。

11 尽量实施统一化设计。凡有可能均应用通用零件，保证全部相同的可移动模块、组件和零件都能互换。
12 尽量实施集成化设计。在设计中，尽量采用固体组件，使分立元器件减少到最小程度。其优选序列为：大规模集成电路-中规模集成电路-小规模集成电路-分立元器件。
13 尽量不用不成熟的新技术。如必须使用时应对其可行性及可靠性进行充分论证，并进行各种严格试验。
14 尽量减少元器件规格品种，增加元器件的复用率，使元器件品种规格与数量比减少到最小程度。
15 在设备设计上，应尽量采用数字电路取代线性电路，因为数字电路具有标准化程度高、稳定性好、漂移小、通用性强及接口参数易匹配等优点。
16 根据经济性及重量、体积、耗电约束要求，确定设备降额程度，使其降额比尽量减小，便不要因选择过于保守的组件和零件导致体积和重量过于庞大。
17 在确定方案时，应根据体积、重量、经济性与可靠性及维修性确定设备的冗余设计，尽量采用功能冗余。
18 设计设备时，必须符合实际要求，无论在电气上或是结构上，提出局部过高的性能要求，必将导致可靠性下降。
19 不要设计比技术规范要求更高的输出功率或灵敏度的线路，但是也必须在最坏的条件下使用而留有余地。
20 在设计初始阶段就要考虑小型化和超小型化设计，但以不妨碍设备的可靠性与维修性为原则。

21 对于电气和结构设计使用公差需考虑设备在寿命期内出现的渐变和磨损，并保证能正常使用。
22 加大电路使用状态的公差安全系数，以消除临界电路。
23 如果有容易获得而行之有效的普通工以能够解决问题，就不必要过于追求新工艺。因为最新的不一定是最好的，并且最新的花样没有经过时间的考验；应以费用、体积、重量、研制进度等方面权衡选用，只有为了满足特定的要求时才宜采用。
24 为了尽量降低对电源的要求和内部温升，应尽量降低电压和电流。这样可把功率损降低到最低限度，避免高功耗电路，但不应牺牲稳定性或技术性能。
25 应对设备电路进行FMEA及FTA分析，寻找薄弱环节，采取有效的纠正措施。
26 在设备研制的早期阶段应进行可靠性研制试验。在设计定型后大批投产前应进行可靠性增长试验，以提高设备的固有可靠性和任务可靠性。
27 对设备和电路应进行潜在通路分析、找出潜在通路、绘图错误及设计问题。避免出现不需要功能和需要受到抑制。
28 对稳定性要求高的部件、电路，必须通过容差分析进行参数漂移设计，减少电路在元器件允许容差范围内失效。
29 正确选择电路的工作状态，减少温度和使用环境变化对电子元器件和机械零件特性值稳定性的影响。

30 注意分析电路在暂态过程中引起的瞬时过载，加强暂态保护电路设计，防止元器件的瞬时过载造成的失效。

31 主要的信号线、电缆要选用高可靠连接。必要时对继电器、开关、接插件等可采用冗余技术，如采取并联接或将多余接点全部利用等。
32 在设计时，对关键元器件、机械零件已知的缺点应给予补偿和采取特殊措施。
33 分机、电路必须进行电磁兼容性设计，解决设备与外界环境的兼容，减少来自外界的天电干扰或其它电气设备的干扰解决产品内部各级电路间的兼容。克服设备内部、各分板及各级之间由于器件安装不合理、连线不正确而产生的辐射干扰和传导干扰。
34 采用故障--安全装置。尽量避免由于部件故障而引起的不安全状态，或使得一系列其他部件也发生故障甚至引起整个设备发生故障。

35 在设计时应选用其主要故障模式对电路输出具有最小影响的部件及元器件。
36 在设计电路及结构设计时和选用元器件时，应尽量降低环境影响的灵敏性，以保证在最坏环境下的可靠性。
37 选择接触良好的继电器和开关，要考虑截断峰值电流，通过最小电流，以及最大可接受的接触阻抗。
38 在电路设计中应尽量选用无源器件，将有源器件减少到最小程度。
39 如果可变电阻器有一端未与线路相接，应将滑臂接上，以防止开路。应确保调至最小电阻时，电阻器和额定功率仍然适用。
40 使用具有适当额定电流的单个连接插头，避免将电流分布到较低额定电流的插头上。

41 调整电子管灯丝电流以减低初始浪涌，减小故障率。
42 避免使用电压调整要求高的电路，在电压变化范围较大的情况下仍能稳定工作。
43 在关键性观察点应配备两套或更多的并联照明光源。
44 采用必要措施避免采取某些故障模式导致设备重复失效。
45 选择最简单、最有效的冷却方法，以消除全部发热量的百分之八十。
46 考虑经济性、体积及重量等，应最大限度地利用传导、辐射、对流等基本冷却方式，避免外加冷却设施。
47 冷却方法优选顺序为：自然冷却→强制风冷→液体冷却→蒸发冷却。
48 采用高效能零件（例如：采用半导体器件而不用电子管）和电路。
49 尽量保持热环境近似恒定，以减轻因热循环与热冲撞而引起的突然热应力对设备的影响。
50 必须假定所设计的设备会靠近比环境温度更高的其它设备。

51 在设计的初期阶段，应预先研究哪些部件可能产生电磁干扰和易受电磁干扰，以便采取措施，确定要使用哪些抗电磁干扰的方法。
52 设备内测试电路应作为电磁兼容性设计的一部分来考虑；如果事后才加上去就可能破坏原先的电磁兼容性设计。
53 在设计上要保证设备同其他设备满意地共同工作。
54 尽量压缩设备工作频率带宽，以抑制干扰的输入。
55 在设备中，尽量控制脉冲波形前沿上升速度和宽阔，以减少干扰的高频分量，（在满足电气性能的情况下）。
56 尽量减少电弧放电，为此尽量不用触点闲合器件。
57 在设备电路中设置各种滤波器以减少各种干扰。
58 保险丝和线路等过载保护器件应该适于使用（最好就在前面板上）。除非为了安全上的需要，应不要求使用特殊工具。
59 如果要求电路在过载时也要工作，在主要的部件上应安装过载指示器。
60 在前面板上应安装指示器，以指示保险丝或线路截断器已经将某一电路断开。保险丝板上应标出每一保险丝的额定值，并标出保险丝保护的范围。

61 对所使用的每一类型保险丝都要有一个备用件，并保证备用件不少于总数的10%。
62 选择线路截断器，应能人工操纵至断开或接通位置。
63 使用自动断路截断器，除非使用时要求自动断路机构应急过载（不断路）。
64 必须记住，最有效的电磁干扰控制技术，应在设计部件和系统的最初阶段加以采用。
65 对设备中失效率较高及重要的分机、电路及元器件要采取特别降额措施。
66 集成电路对结温和输出负载进行降额应用。
67 晶体三极管除结温外，对其集电极电流及任何电压予以降额应用。
68 晶体二极管除结温外，对其正向电流及峰值反向电压予以降额应用。
69 电阻器除外加功率进行降额应用外，在应用中要低于极限电压及极限应用温度。
70 电容器除外加电压进行降额应用外，在应用中要注意频率范围及温度极限。

71 线圈、扼流圈除工作电源进行降额应用外，对其电压也要进行降额。
72 变压器除工作电流，电压进行降额应用外，对其温升按绝缘等级作出规定。
73 继电器的接点电流按接负载地降额应用外，对其温度按绝缘等级作出规定。
74 接插件除了电流进行降额应用外，对其电压也要进行降额，根据触点间隙大小、直流及交流要求不同而进行适当降额。
75 对于电缆、导线除了对电流进行降额应用外（铜线每平方毫米截面流过电流不得超过7安培），要注意电缆电压，对于多芯电缆更要注意其电压降额。
76 电子管应对板耗功率和总栅耗功率进行降额应用。
77 对于开关器件除对开关功率降额外，对接点电流也要进行降额应用。
78 对于电动机应考虑轴承负载降额和绕阻功率降额。
79 结构件降额一般指增加负载系数和安全余量，但也不能增加过大，否则造成设备体积、重量、经费的增加。
80 对电子元器件降额系数应随温度的增加而进一步降低。

81 对于电子管灯丝电压和继电器的线包电流不能降额，而应保持在额定值左右（100±5%）；否则会降低电子管寿命和影响继电器的可靠吸合。
82 电阻器降低到10%以下对可靠性提高已经没有效果。
83 对电容器降额应注意，对某些电容器降额水平太大，常引起低电平失效，交流应用要比直流应用降额幅度要大，随着频率增加降额幅度要随之增加。
84 对于磁控管降额的使用，如果阳极电流不加到规定值，降低灯丝电压使用，不仅不能提高可靠性，恰恰相反，正是牺牲了可靠性。
85 为了保证设备的稳定性，电路设计时，要有一定功率裕量，通常应有20-30%的裕量，重要地方可用50-100%的裕量，要求稳定性、可靠性越高的地方，裕量越大。
86 要仔细设计电路的工作点，避免工作点处于临界状态。
87 在设计电路时，应对那些随温度变化其参数也初之变化的元器件进行温度补偿，以使电路稳定。
88 电子元器件往往随环境条件变化而变化，应说设备和电路采取环境控制和隔离。
89 正确选用那些电参数稳定的元器件，避免设备和电路产生飘逸失效。
90 进行传动部件强度和刚度裕度设计，要保证在恶劣环境条件下与其他电子部件同时进入“浴盆效应”的磨损期。

91 对摩擦位置以及机械关节进行密封设计。
92 选择耐磨损和抗振疲劳的材料。
93 采取抗磨损性能的特殊工艺。
94 电子设备的元器件，机械零件存在着贮存失效，在设计上应有减少这种失效措施，同时采取正确存储方法。
95 电路设计应容许电子元器件和机械零件有最大的公差范围。
96 电路设计应把需要调整的元器件（如：半可变电容器、电位器、可变电感器及电阻器等）减少到最小程度。
97 要尽量选用有足够温度要求和温度系数小的电容器。
98 当电源电压和负荷在通常可能出现极限变化的情况下，电路仍能正常工作。
99 用任意选择的电子元器件电路仍能正常工作。
100 电路和设备应能在过载、过热和电压突变的情况下，仍能安全工作。

101 设计设备和电路时，应尽量放宽对输入及输出信号临界值的要求。
102 电路应在半导体器件手册上规定的β值范围内正常工作。
103 努力降低元器件失效影响程度，力求把电路的突然失效降低为性能退化。
104 使用反馈技术来补偿（或抑制）参数变化所带来的影响，保证电路性能稳定。例如，由阻容网络和集成电路运算放大器组成的各种反馈放大器，可以有效地抑制在因元器件老化等原因性能产生某些变化的情况下，仍然能符合最低限度的性能要求。
105 对于重要而又易出故障的分机，电路和易失效的元器件在体积、重量、经费、耗电等方面允许的条件下，经可靠性预计和分配后，采用冗余设计技术。
106 接插件、开关、继电器的触点要增加冗余接点，并联工作。插头座、开关、继电器的多余接点全部利用，多点并接。
107 每个接线板应有10%的接线柱或接线点作为备用。
108 当转换开关的可靠性小于单元可靠度50%时，则应采用工作储备。
109 当体积、重量非关重要，而可靠性及耗电至关重要时则应采取非工作贮备，非工作贮备有利于维修。
110 贮备设计中功能冗余是非常可取的，当其中冗余部件失效时并不影响主要功能；而同时工作时，又收到降额设计的效果。

111 对于易失效的元器件应采取工作储备（热储备）。
112 如果信息传递不允许中断应采取工作储备。
113 如果对设备的体积、重量等有严格要求，而提高单元的可靠性又有可能满足执行任务要求的话就不必采用储备设计；同时应考虑经济性。
114 尽管“并串”比“串并”可靠性高，但考虑便于维修，“串并”也是可取的。
115 对于设备（或系统）中的可靠性薄弱环节进行储备设计而采取混合储备设计措施是很可取的。这是经过可靠性、经济性及重量和体积的权衡结果。
116 在冷贮备设计中，应尽量采用自动切换转置。
117 运动状态下的非工作贮备（冷贮备）可以缩短信号中断时间，在贮备设计中可以根据具体情况加以说明。
118 保证热流通道尽可能短，横截面要尽量大。
119 在需要传热性能高时，可考虑采用热管。热管散热量可比实之铜导体高数百倍。
120 利用金属机箱或底盘散热。

121 力求使所有的接头都能传热，并且紧密地安装在一起以保证最大的金属接触面。必要时，建议加一层导热硅胶 以提高产品质量传热性能。
122 将需散热一瓦以上的器件安装在金属底盘上，或安装传热通道通至散热器。
123 器件的方向及安装方式应保证最大对流。
124 将热敏部件装在热源下面，或将其隔离。
125 安装零件时，应充分考虑到周围零件辐射出的热，以使每一器件的温度都不超过其最大工作温度雨避免对准热源。
126 对靠近热源的热敏部件，要加上光滑的涂上漆的热屏蔽。
127 确保热源具有高辐射系数。如果处于嵌埋状态，须用金属传热器通至冷却装置。
128 玻璃环氧树脂线路板式不良散热器，不能全靠自然冷却。
129 如果玻璃环氧树脂印制线路板不能足以散发所产生的热量，则应考虑加设散热网络和金属总印制电路板。
130 选用导热系数大材料制造热传导零件。例如：银、紫铜、氧化铍陶瓷及铝等。

131 加大热传导面积和传导零件之间的接触面积。在两种不同温度的物体相互接触时，接触热阻是至关重要的。为此，必须提高接触表面的加工精度、加大接触压力或垫入软的可展性导热材料。
132 在热传导路径中不应有绝热或隔热元器件。
133 适当采用物理隔离法或绝热法。
134 使用通风机进行风冷，俩电子元器件温度保持在安全的工作温度范围内。通风口必须符合电磁干扰、安全性要求，同时应考虑防淋雨要求。
135 气冷系统需根据散热量进行设计，并应根据下列条件：在封闭的设备内压力降低时应通入的空气量、设备的体积，在热源出保持安全的工作温度，以及冷却功率的最低限度（即使空气在冷却系统内运动所需的能量）。
136 设计时应注意使风机马达冷却。
137 用以冷却内部部件的空气须经过滤，否则大量污物将积在敏感的线路上，引起功能下降或腐蚀（在潮湿环境中会更加速进行），污物还能阻碍空气流通和起绝热作用，使部件得不到冷却。
138 设计时注意使强制通风和自然通风的方向一致。
139 不要重复使用冷却空气。如果必须使用用过的空气或连续使用时，空气通过各部件的顺序必须仔细安排。要先冷却热敏零件和工作温度低的零件，保证冷却剂有足够的热容量来将全部零件维持在工作温度以内。
140 设计强制风冷系统应保证在机箱内产生足够的正压强。

141 设置整套的冷却系统，以免在底盘抽出维修时不能抗高温的器件被高温热致失效。
142 进入的空气和排出的空气之间的温差不应超过14℃。
143 保证进气与排气间有足够的距离。
144 非经特别允许，不可将通风孔及排气孔开在机箱顶部或面板上。
145 尽量减低噪音与振动，包括风机与设备箱间的共振。
146 使用无刷交流电机驱动的风扇、风机和泵，或者适当屏蔽的直流电动机。
147 注意勿使可伸缩的单面式组合抽屉阻碍冷却气流。
148 在计算空气流量时，要考虑因空气通道布线而减少的截面积。
149 若设备必须在较高的环境温度下或高密度热源下工作，以致自然冷却或强制风冷法均不使用时，可以使用液冷或蒸发冷却法。
150 如果必须用液冷法，最好用水作冷却剂

151 设计时注意使冷却剂能自由膨胀，而机箱则须承受冷却剂的最大蒸汽压力。
152 注意管道必须合乎要求，设备必须严封，严防气塞。
153 吸气孔与过滤塞必须装置适当。
154 注意冷却系统的吸气孔应在较低部位而排气阀应在较高部位。在每一个断开处安装检验阀。
155 要确保冷却剂不致再最高的工作温度以下沸腾（如有必要，应安装温度控制器件），还应确保冷却剂不致在最低温度以下结冰。上述任一情况都会导致管道破裂。
156 要避免蒸汽在设备内冷凝。
157 设计冷却系统时，必须考虑到维修。要从整个系统的现点出发来选择热交换器、冷却剂以及管道。冷却剂必须对交换器和管道没有腐蚀作用。
158 布置未经屏蔽的电子管时，其间隔至少应为直径的1～0.5倍。避免阳极过热。
159 为避免电子管辐射热影响热敏器件、屏蔽罩的内面的辐射能力要强（涂黑），而外面则应是光滑的，并能将热传导到底盘上。
160 不要把传热的屏蔽罩安装在塑料底盘上。

161 当激振频率很低时，应增强结构的刚性，提高设备及元器件的固有频率与激振频率的比值，使隔振系数接应于1，以使设备和元器件的固有频率远离共振区。
162 尽量提高设备的固有振动频率，电子设备机柜的固有振动频率应为最高强迫频率的两倍，电子组件应为机柜的两倍。如舰船和潜水艇的振动频率普遍范围在12～33赫，机柜固有振动频率不低于60赫，组件的固有振动频率不低于120赫。
163 应将导线编织在一起，并用线夹 分段固定，电子元器件的引线应尽量短以提高固有有频率。
164 电子器件（直径超过1.3cm或每一引头重量超过7克）应夹定或用其它方法固定在底盘上或板上，以防止由于疲劳或振动而引起的断裂。
165 焊接到同一端头的绞合铜线必须加以固定，使其在受振动时，使导体在靠近各股铜线焊接在一起处不致发生弯曲。
166 连结引头处不可没有支撑物。
167 使用软电线而不宜用硬导线，因后者在挠曲与振动时易折断。
168 使用具有足够强度的对准销或类似装置以承受底盘和机箱之间的冲击或振动。不要依靠电气连接器和底盘滑板组件来承受这种负荷。
169 抽斗或活动底盘须至少在前面和后面具有两个引销。配合零件须十分严密以免振动时互相冲击。
170 在门和抽斗上安装锁定装置，以各冲击或振动时打开。

171 避免悬臂式安装器件。如采用时，必须经过仔细计算，使其强度能在使用的设备最恶劣的环境条件下满足要求。
172 沉重的部件应尽量靠近支架，并尽可能安装在较低的位置。如果设备很高，要在顶部安装防摇装置或托架，则应将沉重的部件尽可能地安装在靠近设备的后壁。
173 设备的机箱不应在50赫以下发生共振。
174 大型平面薄壁金属零件，应加折皱、弯曲、或支撑架。
175 模块和印制电路板的自然频率应高于农们的支撑架（最好在60赫以上）。可采用小板块或加支撑架以达到这个目的。
176 所有调谐元件应有固定制动的装置，使调谐元器件在振动和冲击时不会自行移动。
177 在使用一个继电器的地方可同时使用两个功能相同而频率不同的继电器。
178 继电器安装应使触点的动作方向同衔铁的吸合方向，尽量不要同振动方向一致， 为了防止纵向和横向振动失效可用两个安装方向相垂直的继电器。
179 实施振动、冲击隔离设计，对发射系统一些关键电真空器件，要采取特殊减震缓冲措施，要使元器件受震强度低于0.2m/s2（加速度）。
180 加速力传到机柜内部时，它会逐渐变小，能够经受高加速应力的零部件应要机柜内安装，不能经受高加速应力的零部件应在机柜中心处安装。

181 不使用钳伤和裂纹导线，在两端具有相对运动的情况下，导线应当放长。
182 通过金属孔或靠近金属零件的导线必须另外套上金属套管。
183 对于插接式的元器件（如电子管等）其纵轴方向应与振动方向一致。同时，应加设盖帽或管罩。
184 对于不同的半导体器件安装方法应不同，对于带插座的晶体管和集成电路应压上护圈，护圈用螺栓接固在底座上。对于有焊接引线的晶体管，可以采取外装、专用弹簧夹、护圈或涂料（如硅橡胶）固定在印刷板上。
185 对于电阻器和电容器在安装时关键在于避免谐振。为此，一般采用剪短引线来提高其固有频率使之离开干扰频谱。对于小型电阻、电容只有尽可能卧装。在元件与底板间埴充橡皮或用硅橡胶封装。对大的电阻、电容器则需用附加紧固装置。
186 对于印制电路板，应加固和锁紧，以免在振动时放生接触不良和脱开振坏。
187 对于陶瓷元件及其他较脆弱的元件和金属件联接时，它们之间最好垫上橡皮、塑胶、纤维及毛毡等衬垫。
188 为了提高抗振动和冲击的能力，应尽可能的使设备小型化。其优点 是易使设备有较坚固的结构和较调的固有频率，在即定的加速度下，惯性力也小。
189 对于特别性振动的元器件和部件（如主振动回路元件）可进行单独的被动隔振。对振动源（如电机等）也要单独进行主动隔振。
190 在结构设计时，除要认真进行动态强度、刚度等计算外，还必须进行必要的模型模拟试验，以确保抗击振动性能。

191 采用新型高分子轻质材料封装元器件，可以对高冲击振动下易损坏的部件进行防护。
192 适当的选择和设计减振器，使设备实际承受的机械力低于许可的极限值。在选择和设计减振器时，缓冲和减振两种效果进行权衡。须知，缓冲和减振往往是矛盾的。
193 对元器件进行灌封是最有效的对其进行气候环境防护的措施。
194 对于不可更换的或不可修复的元器件组合装置可以采用环氧树脂灌装。
195 对于含有失效率较高及价格昂贵元器伤势元器件组合装置可以采用可拆卸灌封。如硅橡胶封，硅凝胶灌封和可拆卸的环氧树脂灌封等。
196 为了防潮，元器件表面可涂覆有机漆。
197 为了防潮，对元器件可以采取憎水处理及浸渍等化学防护措施。
198 对设备或组件进行密封是防止潮气及盐雾长期影响的最有效的机械防潮方法。

内容来源：EDN电子技术设计

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江苏省昆山市经济开发区蓬朗建通路58号

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